Ветер

Одежда Земли

Велика наша Земля. Много тысяч километров нужно проехать по суше и по воде, чтобы совершить кругосветное путешествие. Но везде, куда бы вы ни попали, как теплым одеялом, землю окружает воздушная оболочка — атмосфера («атмосфера» — греческое слово, составленное из двух слов: «атмос» — воздух и «сфайра» — шар, оболочка). Это одежда Земли. Воздух лежит на Земле слоем толщиной в несколько сотен километров и защищает ее от холода межпланетного пространства. В этом воздухе каждодневно гуляют многочисленные ветры земли.

Что же представляет собой земная одежда — воздух? Отличается ли он чем от других окружающих нас предметов?

Каждый знает, что любой предмет занимает какое-то место и имеет свой определенный вес. Но занимает ли место воздух, весит ли он что-нибудь?

Изучая свойства воздуха, ученые давно ответили на этот вопрос. Да, воздух всегда занимает место и имеет вес, как и все предметы. Проверить это просто каждому из вас.

Опустите, например, опрокинутый вверх дном стакан в воду. Вы увидите, что вода не заполняет его. Это воздух, находящийся в стакане, не впускает ее. Но стоит вам слегка наклонить стакан, как воздух в виде пузырьков выйдет из него, и вода займет место улетевшего воздуха.

Нетрудно также убедиться и в том, что воздух имеет вес. Для этого надо взять две большие пустые стеклянные бутыли, плотно закрыть их специальными пробками (устройство которых видно на рис. 1) и уравновесить бутыли на весах. Если вы теперь, открыв зажим на одной из пробок, отсосете из бутыли часть воздуха в себя и тут же закроете зажим снова, то эта бутыль станет легче. Значит, воздух, отсосанный вами, имел вес.

Рис. 1. Обе бутыли имеют один и тот же вес; но если из правой бутыли отсосать воздух, она станет легче.

При очень сильном охлаждении воздух можно превратить в жидкость, а эту жидкость заморозить; получится твердое тело голубоватого цвета.

Когда ученые стали взвешивать воздух, они увидели, что не везде вес его одинаков. Самый большой вес воздуха оказался на уровне моря: здесь один кубометр воздуха при температуре нуль градусов весил около 1300 граммов, то есть примерно в 770 раз меньше воды. Но чем выше от уровня моря брали для взвешивания воздух, тем меньше весил один кубометр его. Так, кубометр воздуха, взятый с высокой горы, весил уже в два раза меньше. Выходит, что вверху, над землей, воздух не так плотен, как у самой земли. В каждом кубометре воздуха там содержится меньшее количество газов, из которых состоит воздух (главные составные части воздуха: азот и кислород). Иными словами, чем выше над землей (или, точнее, над уровнем моря) находится воздух, тем он больше разрежен. Когда люди стали подниматься высоко над землей, было установлено, что, например, на высоте 12 километров кубометр воздуха весит только 319 граммов.

Таким образом, получается, что воздушная оболочка Земли состоит как бы из многих слоев различной плотности, лежащих друг на друге. Чем ближе к Земле находится воздушный слой, тем он плотнее. Это и понятно, если вспомнить, что земной шар притягивает к себе все предметы. Сила этого притяжения и выражается весом предметов. А так как воздух тоже имеет вес, то верхние слои воздуха давят на нижние и уплотняют их.

Давление воздуха передается во все стороны одинаково. Значит, воздух давит и на все окружающие нас предметы. Понятно, что, чем плотнее воздух, тем больше его давление. С высотой давление воздуха постепенно понижается.

Сила давления воздуха огромна; на земле она равняется одному килограмму на каждый квадратный сантиметр площади любого предмета.

Есть очень простой и наглядный опыт, показывающий силу этого давления.

Налейте в стакан доверху воды, закройте его небольшим листом бумаги и, придерживая этот лист рукой, быстро переверните стакан вверх дном. Теперь вы можете опустить поддерживающую лист руку — на него будет давить сам воздух, и вода не потечет из стакана (рис. 2).

Рис. 2. На лист бумаги снизу давит окружающий стакан воздух; благодаря этому вода не выливается из стакана.

Рождение ветра

Каждый из вас может сделать маленький искусственный ветер. Для этого стоит лишь помахать перед собой каким-либо предметом — книгой, газетой или платком; спокойный воздух придет в движение, в лицо ударит волна воздуха. Из этого примера видно, что ветер получается тогда, когда приходит в движение воздух.

Вспомните жаркий летний день. Ослепительное солнце стоит высоко над головой. На деревьях не шелохнется ни один лист. Воздух горяч и недвижим. Прозрачным столбом поднимается вверх дым из труб и тает в вышине.

Но вот вдруг зашевелились листья деревьев, и вы чувствуете, как жаркий, застоявшийся воздух тронулся и поплыл медленно, как бы нехотя, освобождая место для притекающего воздуха. Дышать становится легче.

Постепенно движение воздушного потока усиливается. Вот вы уже ощущаете на лице совсем свежий, прохладный воздух. В каждую секунду около вас перемешаются уже большие воздушные массы. Клубы дыма быстро уносятся вместе с движущимся воздухом. Набегающие воздушные массы колеблют ветви и молодые стволы деревьев.

Говорят: дует ветер. Значит, действительно, ветер — это движение воздуха, перемещение его над землей.

Ветры различают по их направлению и скорости, или, как говорят, силе.

Чтобы определить направление и силу ветра, применяют различные приборы. Самый несложный из этих приборов — флюгер. Вот как, например, устроен один из простейших флюгеров (рис. 3).

Рис. 3. Флюгер.

На высоком столбе вертикально закреплен стальной стержень.

Сверху на него надета железная трубка, к которой прикреплены с одной стороны две пластинки, а с другой — стерженек с металлическим шаром на конце. Это так называемая флюгарка. Флюгарка свободно вращается вместе с трубкой на вертикальном стержне и таким образом показывает направление ветра. Пластинки флюгарки всегда направлены в ту сторону, куда дует ветер, а стерженек с шаром — туда, откуда дует ветер.

Ветер может дуть со всех сторон горизонта — с юга, востока, севера и запада. Название ветру дается по той стране света, откуда он дует, то есть ветер, дующий с юга, называется южным и т. д. Различаются также северо-восточные, северо-западные, юго-восточные и юго-западные ветры. Чтобы точнее определять, какой именно из этих ветров дует, в нижнюю часть вертикального стального стержня флюгера ввинчивают от четырех до восьми металлических прутьев (рис. 3); каждый из этих прутьев указывает определенную страну горизонта — север, юг, юго-запад и т. д.

На верхнем конце подвижной трубки флюгера укреплено приспособление, показывающее силу ветра. Оно состоит из железной рамы, к верхней части которой привешена металлическая дощечка. Эта рама закреплена на трубке таким образом, что плоскость дощечки всегда перпендикулярна к направлению ветра. Если ветра нет, дощечка висит вертикально. Но как только начинает дуть ветер, она отклоняется в сторону, и тем больше, чем сильнее ветер.

Скорость ветра измеряют метрами в одну секунду. Для того, чтобы узнавать по дощечке, какой силы дует ветер, сбоку у железной рамы имеется дуга, в которую вставлены восемь маленьких штифтов.

Силу ветра принято также обозначать в условных цифрах — баллах. Полное затишье — штиль — обозначается 0 баллов. Тихий ветер, со скоростью один метр в одну секунду, соответствует 1 баллу. Дальше следуют: легкий ветер — (2–3 метра в секунду) — 2 балла; слабый — 3 балла; умеренный — 4 балла; свежий — 5; сильный — 6; крепкий — 7; очень крепкий — 8; шторм — 9; сильный шторм —10; жестокий шторм —11; ураган — 12 (рис. 4).

Рис. 4. Баллы: 1 балл — слегка отклоняется дым из труб, скорость ветра 1 м/сек. 3 балла — движутся листья; скорость ветра 4–5 м/сек. 5 баллов — качаются ветви; скорость ветра 9—10 м/сек. 7 баллов — качаются тонкие стволы деревьев; скорость ветра 14–17 м/сек. 9 баллов — качаются большие деревья; скорость ветра 21–24 м/сек. 12 баллов — разрушительное действие ветра; скорость ветра — 34 и более м/сек.

Для наблюдения ветра в верхних слоях атмосферы применяют другие приборы, например шары-пилоты. Это небольшие резиновые шары, наполненные легким газом — водородом. Они способны подниматься вверх на тридцать — сорок километров. Наблюдая с земли за их передвижением, можно определять как направление, так и скорость ветра на различных высотах.

Но каким образом и почему приходят в движение над Землей массы воздуха? Где и отчего рождается ветер?

Причина, вызывающая ветры, давно найдена. Это различное давление воздуха, или, как говорят, различное атмосферное давление в разных местах, находящихся на одной и той же высоте над уровнем моря.

Мы уже говорили, что атмосферное давление сильно убывает с высотой. Но, оказывается, и над самой поверхностью Земли давление воздуха не бывает одинаковым и постоянным. В одном месте оно выше, в другом — ниже; сегодня, скажем, в Москве давление понижается, а завтра, наоборот, начинает повышаться. И так происходит все время. Почему это так, мы расскажем дальше.

Как же различное давление воздуха вызывает движение огромных воздушных масс? А вот как.

Куда течет вода в реке? Для каждого ясно — в сторону уклона. И чем больше этот уклон, тем быстрее течет вода.

Подобное явление происходит и в воздухе. Чем сильнее сжат воздух, то есть чем больше его давление, тем сильнее он стремится расшириться, раздаться во все стороны. Но куда воздух может расширяться, когда он окружает всю Землю? А туда, где воздуха меньше, где давление его ниже. Так и «текут» всегда воздушные массы из мест с большим давлением воздуха в те места, где атмосферное давление меньше. И чем больше разность этих давлений в каких-либо двух соседних областях, тем стремительнее происходит между ними передвижение воздушных масс, тем сильнее там дует ветер.

Вот почему рождается на Земле ветер, и вот почему он так различен по своей силе — от легкого ветерка до урагана.

Воздух путешествует

Отчего же, однако, меняется на Земле давление воздуха? Ответим теперь и на этот вопрос.

Попробуйте сделать такой опыт. Опустите горлышко холодной пустой бутылки в воду и согрейте ее после этого руками. Как только стекло бутылки слегка нагреется, из нее через воду выйдет несколько пузырьков воздуха.

О чем это говорит? О том, что нагретый воздух всегда стремится расшириться. В нашем опыте воздух нагрелся от теплых стенок бутылки.

Но стоит только воздуху расшириться, как плотность его уменьшится, и его начнет вытеснять вверх со старого места более холодный, более тяжелый, плотный воздух. Расширившийся воздух всплывает вверх, как всплывает в воде масло.

Когда вы топите печь, вы используете как раз это свойство воздуха. В топке воздух так нагревается, что с силой устремляется в трубу — кверху. Его место занимает другой — холодный воздух, идущий из комнаты. Создается всем известная «тяга».

Так и в природе. Лишь только где-либо воздух нагрелся сильнее, чем в соседнем месте, как он тут же всплывает вверх, так как его начинает вытеснять находящийся рядом более холодный и тяжелый воздух: на освободившееся место начинают притекать другие воздушные массы. Таким путем и образуются воздушные течения, возникает ветер.

А нагревается воздух везде по-разному, и вот почему.

Тепло, идущее от солнца, почти не согревает воздуха; оно всё доходит до земли и нагревает ее поверхность. А уже от нагретой земной поверхности согревается и воздух, лежащий над ней.

Выйдите в мартовский солнечный день на улицу. В эти дни солнышко начинает пригревать уже по-весеннему. И вот, хотя градусник на воздухе еще показывает два-три градуса мороза, с крыш домов, освещенных солнцем, уже весело капает вода. Это солнечные лучи нагрели края крыши, и она растопила часть снега. Если вы пощупаете на солнечной стороне стены деревянных домов, то почувствуете, что они также теплые.

А в летнее время, вероятно, каждый из вас наблюдал, как в жаркий безветренный день вдали на горизонте, все предметы как бы дрожат. Это объясняется тем, что большие массы теплого воздуха, нагревшись от согретой солнцем Земли, беспрерывно поднимаются вверх.

Сама же поверхность Земли нагревается солнцем различно. Это понятно. Поверхность земного шара состоит из самых различных участков: лесов, степей, водных пространств, камня. Все эти участки нагреваются неодинаково. Вот, например, рядом лежащие луг и пашня. Что из них нагреется сильнее? Конечно, пашня. Черная земля всегда поглощает больше тепла, чем зеленая трава.

От различно нагретых участков Земли по-различному нагреваются и массы воздуха, лежащие над ними. А вследствие этого воздух в одном месте, где он сильно нагрелся, скажем, над степью, расширится, плотность его уменьшится, он станет легче и устремится вверх, так как его будет вытеснять рядом лежащий более холодный воздух. Наоборот, в другом месте, например в лесу, воздух почти не согреется и останется на месте.

Но ведь если воздух, находящийся над степью, будет уходить вверх, то на его место у Земли будет притекать воздух с соседних участков. И вскоре со стороны леса сюда хлынут воздушные потоки, то есть подует ветер. Такие местные ветерки многие, наверное, наблюдали летом: в жаркий-жаркий день вдруг из ближнего леса потянет прохладой.

Посмотрим теперь, что происходит дальше с теми воздушными потоками, которые пустились в путешествие.

Воздух над степью, нагревшись, поднимается кверху. Здесь слои воздуха не так плотны, и нагреты они значительно меньше. Поэтому поднявшийся теплый воздух расходится среди разреженного верхнего воздуха и сам становится менее плотным. Исследования, проведенные физиками, показали, что при разрежении воздуха он охлаждается. На этом свойстве воздуха основано действие холодильных машин. По этой причине, сколько бы теплого воздуха ни подымалось кверху, на большой высоте, где воздух всегда очень сильно разрежен, царит холод. Однако поднявшийся над степью воздух несколько увеличивает давление там, где он распределяется среди высотных холодных воздушных масс.

С другой стороны, в лесу, как только из него воздушный поток устремится в степь, будет освобождаться больше и больше места; давление остающегося воздуха будет падать сильнее и сильнее. Но ведь на нижние слои воздуха всегда давят верхние. Поэтому место уходящего в степь воздуха будут сразу же занимать воздушные массы, опускающиеся из более высоких слоев воздуха. Значит, высокое давление лесного воздуха будет постоянно поддерживаться притекающим с вышины холодным воздухом. Но зато там, вверху над лесом, давление будет падать. И вот тогда-то сюда потечет воздушный поток из верхних слоев воздуха, лежащих над степью. Таким образом вверху образуется ветер с направлением, противоположным наземному ветру, дующему из леса (рис. 5).

Рис. 5. Схема образования местного ветра. Над степью нагретый воздух устремляется кверху, а на его место притекает воздух из леса.

В этом нетрудно убедиться очень простым способом. Если внимательно понаблюдать за направлением плывущих в небе облаков, то можно увидеть, что они часто идут в другую сторону, чем дует ветер на земле. Значит, там, в вышине, дует ветер другого направления.

Куда дует ветер

Мы рассказали о путешествии воздуха на одном маленьком участке земной поверхности. Но воздух не страшится и очень больших путешествий. Более того. Вся земная атмосфера находится в постоянном движении — от экватора до полюсов (экватор — воображаемая линия на Земле, делящая земной шар на две равные половины — северную и южную). Именно благодаря этим огромным перемещениям воздушных масс и возникает на Земле большинство различных ветров, как постоянных, так и переменных.

Вечное путешествие воздушных масс над Землей объясняется, как мы уже сказали, различным атмосферным давлением воздуха на поверхности Земли. А это давление в значительной мере зависит от температуры воздуха: чем сильнее нагрет воздух, тем ниже его давление.

Если бы вся поверхность Земли была совершенно однородной и Земля не вращалась бы, передвижение воздушных масс было бы очень простым. В этом случае в каждом полушарии воздух путешествовал бы по одному большому кругу — от полюса к экватору.

В самом деле, у экватора воздух нагревался бы сильнее всего, а у полюсов — слабее всего. Вследствие этого у экватора существовали бы постоянные потоки воздуха, восходящие кверху, и сюда благодаря понижению давления приходили бы массы арктического холодного воздуха от полюсов. В свою очередь к полюсам шел бы постоянный приток воздуха из верхних слоев атмосферы, и таким образом вверху существовал бы ветер от экватора к полюсам.

Однако на самом деле мы знаем, что поверхность земного шара далеко не одинакова. Благодаря этому кругом нас ежечасно рождаются и умирают различные местные ветерки. Кроме того, так как Земля вращается вокруг своей оси, движение воздуха над Землей от полюсов к экватору и обратно происходит не так просто, как это было только что описано. Правда, зарождение ветров у экватора именно таково, как мы рассказали.

Вдоль экватора с той и другой стороны находятся самые жаркие места земного шара. Благодаря этому здесь повсеместно у Земли наблюдается постоянное пониженное давление воздуха. В то же время на север и на юг от экватора находятся области повышенного воздушного давления. Поэтому в сторону экватора круглый год дуют постоянные ветры со скоростью шести-семи метров в секунду.

Но на направление этих ветров действует вращение Земли. Как известно, Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток. Вследствие этого в Северном полушарии воздушные потоки, идущие к экватору прямо с севера, отклоняются к западу и превращаются в северо-восточные ветры; в Южном полушарии южное направление ветров смещается к юго-востоку.

По той же причине верхние воздушные течения, направляясь от экватора к полюсам, на своем пути все более и более отклоняются на восток, пока не превращаются в западные ветры. Таким образом, воздушные массы, идущие от экватора, не попадают к полюсам, а задерживаются в странах умеренного климата. Постоянно притекающий сюда экваториальный воздух уплотняется и постепенно опускается к земле; в результате здесь создаются области повышенного атмосферного давления и рождаются ветры, дующие к экватору и к полюсам.

Так осуществляется обмен воздуха между экваториальными областями и странами умеренного климата. У самого экватора находится узкая полоса, где постоянно дуют лишь слабые переменные ветры. Зато здесь нередко возникают непродолжительные, но очень сильные тропические бури.

В более северных областях земного шара наблюдается иная картина. Здесь области повышенного давления находятся как у полюсов, так и в тех местах, куда притекает экваториальный воздух. А между ними находятся районы с пониженным атмосферным давлением. Сюда и устремляются воздушные потоки как от полюсов, так и из стран умеренного климата. Опять-таки благодаря вращению Земли эти потоки превращаются в ветры: дующие от полюсов — в северо-восточные и юго-восточные (для двух полушарий) и дующие из стран умеренного климата — в северо-западные и юго-западные.

Такова, в общих чертах, картина передвижения воздушных масс над Землей.

Место встречи различно нагретых воздушных масс называется фронтом. Фронт никогда не находится в покое. Когда воздушные массы движутся с различной скоростью или когда одна воздушная масса перемещается в одном направлении, а другая — в обратном, то в этом случае линия фронта прогибается, здесь образуются воздушные волны. При этом холодный воздух сильнее и сильнее поворачивает на юг, «подтекает» под теплый воздух и вытесняет его вверх. Массы же теплого воздуха отклоняются к северу и в свою очередь оттесняют перед собой холодный воздух. В результате там, куда движутся массы теплого воздуха, давление падает, а в тех местах, куда наступают холодные массы, давление растет.

Возникает область, в центре которой образуется пониженное давление воздуха. Такую область называют обычно циклоном («циклон» значит «круговой») (рис. 6).

Рис. 6. Образование циклона. Теплые и холодные потоки воздуха образуют огромные завихрения.

Ветер в циклоне дует от краев к центру таким образом, что образуется круг ветров, дующих против часовой стрелки.

Образовавшись, циклон не стоит на одном месте; он смещается в сторону движения теплых воздушных масс. За сутки циклон нередко перемещается на тысячу километров — на пути его движения возникают сильные ветры.

Очень часто вслед за образованием одного циклона за ним возникают новые, которые и следуют один за другим. Между областями пониженного давления, то есть циклонами, образуются другие области — области повышенного давления. Их называют антициклонами. Направление ветра в антициклонах — от центра к краям.

С образованием и перемещением циклонов и антициклонов и связаны главным образом возникновение и смена самых различных ветров в странах умеренного климата.